CN102270690A - 太阳能利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种太阳能利用装置，属太阳能利用领域，该装置由追日架、集光器、抛物面反射镜、冷却装置构成，反射镜连接在追日架上将太阳光汇聚到一个较小的面积，集光器的换热器为氧化铝陶瓷材料基底上覆铜，并蚀刻形成电路，光伏电池元件底面连接换热器向光面的覆铜，另一面通过细导线连接相邻的覆铜电路并形成相应电路结构，保护二极管连接换热器背光面覆铜，光伏电池元件与保护二极管通过换热器表面覆铜电路相连并形成并联或串联保护电路，换热器连接冷却管路，多个光伏电池元件成矩阵状排列，追日架使抛物面反射镜所反射太阳光汇聚在光伏电池元件表面，光斑范围覆盖光伏电池元件矩阵，该装置能将光能高效转换成电能，并通过换热器保持散热。

Description

太阳能利用装置

技术领域

本发明涉及太阳能应用领域，尤其是涉及一种太阳能利用装置。

背景技术

现在太阳能光伏电池多以单晶硅和多晶硅为主，其利用效率普遍为15％～18％，另一种光伏电池元件砷化镓可达到接近40％的光电转换效率，但砷化镓电池元件成本较高，需要高倍聚焦才能实现成本合理化，现有砷化镓光伏发电装置多为分散的聚光箱方式，每个砷化镓光伏电池元件对应一个聚光透镜或者聚光反射镜，为保证聚光光斑在允许的跟踪误差下照射在电池元件上，通常电池元件尺寸要大于光斑尺寸，但电池元件大于光斑尺寸的部分却未起到光电转换的作用，从而大幅度浪费了昂贵的电池元件，另外砷化镓电池元件上未被转换成电能的太阳能被散热器直接耗散在空气中，无法对不集中热能有效利用，也造成了资源的浪费，导致对太阳能的电、热利用效率不高。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明实施方式的目的是提供一种太阳能利用装置，在保证高的光电转换效率情况下，充分吸收残余热能，并同时解决光伏电池元件散热问题。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明实施方式提供一种太阳能利用装置，该装置包括：

追日架、集光器、抛物面反射镜和冷却装置；其中，

所述抛物面反射镜设置所述追日架上；

所述集光器设置在所述抛物面反射镜的反射光汇聚处，所述集光器设置多个光伏电池元件的一面朝向所述抛物面反射镜的光反射面；

所述集光器的冷却管与所述冷却装置连接。

上述装置中，所述集光器设置的多个光伏电池元件按以下方式设置在所述集光器上：

多个光伏电池元件按密集矩阵式排列设置在所述集光器上，相邻光伏电池元件之间的间距小于3mm。

上述装置中，所述集光器还包括：

保护罩、保护电路和换热支撑件；其中，

所述多个光伏电池元件排列设置在所述换热支撑件的一个支撑面上，所述多个光伏电池元件设置在所述保护罩内；所述多个光伏电池元件与所述保护电路电连接构成光伏电池矩阵电路；

所述冷却管设置在所述换热支撑件本体内。

上述装置中，所述多个光伏电池元件与所述保护电路通过以下方式电连接构成光伏电池矩阵电路：

多个光伏电池元件通过换热支撑件的支撑面表面设置的导电层形成的导电线路与所述保护电路电连接构成光伏电池矩阵电路；或者，多个光伏电池元件通过换热支撑件的支撑面之间设置的导线形成的导电线路与所述保护电路电连接构成光伏电池矩阵电路。

上述装置中，所述换热支撑件具体包括：支撑件本体和导电层；其中，

由导热材料制成的所述支撑件本体外表面设有至少一个支撑面，其中至少一个支撑面的表面设置所述导电层，所述导电层与所述支撑件本体之间保持绝缘；

所述支撑件本体内设有安装冷却管的散热孔。

上述装置中，所述支撑件本体外表面还设有至少一个接触配合面，所述接触配合面为平直面、曲面或异型面。

上述装置中，所述散热孔为设置在所述支撑件本体上的至少一个通孔或盲孔；

或者，所述散热孔为至少两个，其中包括至少一个设置在所述支撑件本体上的通孔，以及包括至少一个设置在所述支撑件本体上的盲孔。

上述装置中，所述导电层为导电材料固定覆盖在所述支撑面的表面形成的导电层。

上述装置中，所述制成支撑件本体的导热材料采用绝缘导热材料(如含氧化铝陶瓷或玻璃或氮化硼的绝缘导热材料)；

或者，所述支撑件本体采用导热的金属材料制成，在其支撑面表面覆盖导热绝缘层。

上述装置中，所述支撑件本体为中空的三棱形结构，其中空部分为所述散热孔，三棱形结构的三个外表面中至少两个作为所述支撑面；

或者，所述支撑件本体为中空的方形结构，其中空部分为所述散热孔，四方形结构的四个外表面中两个间隔开并相对应的外表面作为所述支撑面；

所述支撑件本体为中空的五棱形结构，其中空部分为所述散热孔，五棱形结构的五个外表面中相临的两个外表面和与所述两个外表面间隔设置的一个外表面作为所述支撑面。

上述装置中，所述集光器还包括：

保护罩、保护电路和换热支撑件；其中，

所述换热支撑件为由多个中空五棱形结构的支撑件本体相邻设置并固定连接后形成的顶端为瓦棱型支撑面，底端为平直支撑面的结构；

所述光伏电池元件排列设置在所述换热支撑件顶端的瓦棱型支撑面上，所述光伏电池元件设置在所述保护罩内；所述保护电路设置在所述换热支撑件的底端的平直支撑面上，所述光伏电池元件与所述保护电路电连接构成光伏电池矩阵电路；

所述冷却管设置在所述换热支撑件的各支撑件本体的中空部分。

上述装置中，所述抛物面反射镜包含多组抛物面反射镜，各反射镜分散布置，每一抛物面反射镜所反射的光斑均覆盖在所述集光器设置的光伏电池元件表面。

上述装置中，所述冷却装置采用带有温控调节装置的冷却装置；或者，采用带有温控调节装置和热回收装置的冷却装置。

通过上述提供的技术方案可以看出，本发明实施方式中通过追日架、集光器、抛物面反射镜和冷却装置相互配合形成一种以抛物面反射镜聚焦太阳能，用集光器对抛物面反射镜聚焦的太阳能进行光电转换，用冷却装置对集光器在进行太阳能转换过程中产生的热量进行散热，从而达到对太阳能有效利用，提高了太阳能的利用效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的太阳能利用装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的太阳能利用装置的另一角度示意图；

图3为本发明实施例提供的太阳能利用装置的又一角度示意图；

图4为本发明实施例提供的太阳能利用装置的集光器的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的太阳能利用装置集光器的换热支撑件的示意图；

图6为本发明实施例提供的太阳能利用装置集光器的另一结构换热支撑件的示意图；

图7为图6的换热支撑件的另一角度示意图；

图8为本发明实施例提供的太阳能利用装置的另一种集光器的示意图；

图9为图8中的集光器的另一角度示意图；

图10为本发明实施例提供的太阳能利用装置的又一种集光器的示意图；

图11为本发明实施例提供的太阳能利用装置的再一种集光器的示意图；

图12为图11中的集光器的另一角度示意图；

图13为本发明实施例提供的太阳能利用装置的另外一种集光器的示意图；

图14为图13中的集光器的另一角度示意图；

图15为图13中的集光器的端部示意图；

图16为本发明实施例提供的太阳能利用装置的抛物面反射镜的示意图；

图中各标号对应的部件为：1-追日架；2-抛物面反射镜；3-集光器；4-冷却装置；

21-换热支撑件；211-支撑件本体；212-支撑面；213-导电层；214-散热孔；215-接触配合面；22-光伏电池元件；23-保护电路；24-冷却管。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面对本发明实施例作进一步地详细描述。

实施例

本实施例提供一种太阳能利用装置，是可以对太阳能的电与热进行有效综合利用的装置，如图1～3所示，该装置包括：追日架1、集光器3、抛物面反射镜2和冷却装置4；

其中，所述抛物面反射镜2设置所述追日架1上，设置在追日架1的驱动端；追日架1可采用目前太阳能发电设备中使用的追日架；

所述集光器3设置在所述抛物面反射镜2的反射光汇聚处，所述集光器3设置多个光伏电池元件的一面朝向所述抛物面反射镜2的光反射面，使抛物面反射镜2的反射光汇聚能覆盖集光器3上设置的光伏电池元件表面；集光器3上设置的光伏电池元件可采用砷化镓光伏发电电池元件；所述集光器上设置的多个光伏电池元件按密集矩阵式排列设置在所述集光器上，相邻光伏电池元件之间的间距小于3mm，这样可使光伏电池元件更集中，从而有效提高对太阳能的转换效率。

所述集光器3的冷却管与所述冷却装置4连接，通过冷却装置4能对集光器转换太阳能过程中产生的热量带走，起到对集光器的散热作用，从而有效保护集光器上的光伏电池元件不致在抛物面反射镜2的反射光照射下因过热而损坏。

如图4所示，上述装置中的集光器的结构具体包括：保护罩(图中未示出)、保护电路23、换热支撑件21以及多个光伏电池元件22和冷却管24；其中，所述多个光伏电池元件22排列设置在所述换热支撑件21的一个支撑面上，所述多个光伏电池元件22设置在所述保护罩内；

所述保护电路23可设置在所述换热支撑件21的另一个支撑面上，所述多个光伏电池元件22与所述保护电路23电连接构成光伏电池矩阵电路(多个光伏电池元件与保护电路可通过换热支撑件的支撑面表面设置的导电层形成的导电线路电连接构成光伏电池矩阵电路；或者，多个光伏电池元件与保护电路可通过换热支撑件的不同支撑面之间设置的导线形成的导电线路电连接构成光伏电池矩阵电路)；

所述冷却管24设置在所述换热支撑件的本体内。

如图5所示，上述集光器中换热支撑件21的结构具体包括：支撑件本体211和导电层213；其中，支撑件本体211由导热材料(可采用绝缘导热材料，如含氧化铝陶瓷或玻璃或氮化硼的绝缘导热材料)制成，支撑件本体211外表面设有至少两个支撑面212，其中至少两个支撑面的表面设置所述导电层213，导电层213可由导电材料(如：金、银或铜等导电材料)覆盖在支撑面表面形成的导电层，这种导电层213可以根据电路的需要刻蚀成不同的导电线路，导电层213与支撑件本体211之间保持绝缘；所述支撑件本体211内设有安装冷却管的散热孔214。另一种结构的支撑件本体21也可采用导热的金属材料(或导热的绝缘导热材料)制成，在其支撑面表面覆盖导热绝缘层215作为绝缘层，使导电层213覆盖在支撑面表面的导热绝缘层215上(见图6-7)，这样既保证了导热性，又保证了导电层213与支撑件本体211之间保持绝缘。

上述支撑件本体211外表面还设有至少一个接触配合面215，所述接触配合面215为平直面、曲面或异型面(异型面可以是采用在平直表面上设置配合的突起或沟槽形成的异型面，或波折型能相互贴合的异型面，或其它便于两个支撑面上的接触配合面接触配合的结构形式均可)。

上述支撑件本体211上的散热孔为设置在所述支撑件本体上的至少一个通孔或盲孔；

或者，支撑件本体上的散热孔211为至少两个，其中包括至少一个设置在所述支撑件本体上的通孔，以及包括至少一个设置在所述支撑件本体上的盲孔。

上述装置中，根据换热支撑件的支撑件本体的结构不同，可形成不同结构的集光器，如图4所示，当支撑件本体为中空的三棱形结构，其中空部分为安装冷却管的散热孔，三棱形结构的三个外表面中至少两个作为所述支撑面，一个支撑面上可以排列安装多个光伏电池元件，另一个支撑面上可以安装保护电路(如多个保护二极管构成的保护电路)，多个光伏电池元件与保护电路可通过支撑面上导电层形成的导电线路连接，从而形成光伏电池矩阵电路。

上述图4所示的集光器可以组合使用，形成一种组合式集光器，可将该组合式集光器中的多个光伏电池元件与保护电路整体连接成一个光伏电池元件矩阵。这种结构的组合式集光器即保证了光伏电池元件的面积集中，并且面积更大，同时可以保证该集光器具有较好的散热效果。

另一种结构的集光器如图8、9所示，其换热支撑件的支撑件本体为中空的方形结构，其中空部分为安装冷却管的散热孔，四方形结构的四个外表面中两个间隔开并相对应的外表面作为所述支撑面，一个支撑面上可以排列安装多个光伏电池元件，另一个支撑面上可以安装保护电路(如多个保护二极管串联或并联构成的保护电路)，多个光伏电池元件与保护电路可通过支撑面上导电层形成的导电线路连接，从而形成光伏电池矩阵电路。

上述图8所示的集光器可以组合使用，形成如图10所示的组合式集光器，可将该组合式集光器中的多个光伏电池元件与保护电路整体连接成一个光伏电池元件矩阵。这种结构的组合式集光器即保证了光伏电池元件的面积集中，并且面积更大，同时可以保证该集光器具有较好的散热效果。

又一种结构的集光器如图11、12所示，所述支撑件本体为中空的五棱形结构，其中空部分为安装冷却管的散热孔，五棱形结构的五个外表面中相临的两个外表面和与所述两个外表面间隔设置的一个外表面作为所述支撑面，顶端相邻的两个支撑面上可以排列安装多个光伏电池元件，底端的另一个支撑面上可以安装保护电路(如多个保护二极管构成的保护电路)，多个光伏电池元件与保护电路可通过支撑面上导电层形成的导电线路连接，从而形成光伏电池矩阵电路。

还有一种结构的集光器如图13～15所示，该集光器也包括：保护罩(图中未示出)、保护电路、换热支撑件、多光伏电池元件和冷却管；这种集光器中，换热支撑件为由多个中空五棱形结构的支撑件本体相邻设置并固定连接后形成的顶端为瓦棱型支撑面，底端为平直支撑面的结构；

光伏电池元件排列设置在所述换热支撑件顶端的瓦棱型支撑面上，光伏电池元件设置在所述保护罩内；保护电路设置在所述换热支撑件的底端的平直支撑面上，光伏电池元件与所述保护电路电连接构成光伏电池矩阵电路；冷却管设置在换热支撑件的各支撑件本体的中空部分。这种结构的集光器由于多个光伏电池元件的排列设置在换热支撑件顶端的瓦棱型支撑面上，可对太阳光形成多次反射，对太阳能的利用效率更高，避免平直式受光面的集光器，只有单次反射从而损失掉部分太阳光的问题。

实际中，上述集光器中，可采用氧化铝陶瓷材料制成的换热支撑件的支撑件本体，支撑件本体的支撑面上覆铜作为导电层，在导电层上蚀刻形成电路，光伏电池元件底面连接在导电层形成的电路上，光伏电池元件朝向抛物面反射镜的反光面，导电层起到了对光伏电池元件导电和导热的双重作用，保护二极管连接在换热支撑件的背光面的支撑面的导电层上光伏电池元件与保护二极管通过换热支撑件的支撑面的导电层相连，可通过细导线连接相邻的覆铜电路来形成相应电路结构，多个光伏电池元件成矩阵状排列，保护二极管并联或串联形成保护电路。

如图16所示，上述装置中的抛物面反射镜包含多组抛物面反射镜201、202、203，各反射镜分散布置，每个抛物面反射镜的角度均可调整，每一抛物面反射镜所反射的光斑均覆盖在所述集光器设置的光伏电池元件表面，这种结构的抛物面反射镜可达到对太阳光的最佳反射利用效果，避免采用单一的抛物面反射镜情况下被遮挡时，光斑不均匀而降低集光器工作效率的问题，在集光器处使太阳光有效汇聚，降低太阳能利用效率的问题。

为保证散热效果，上述装置中的冷却装置可采用带有温控调节装置的冷却装置，通过温控调节装置根据集光器的温度，调节冷却装置的泵的工作状态，达到对集光器最佳的散热效果；或者为保证散热效果以及对热有效回收利用，冷却装置也可采用带有温控调节装置和热回收装置的冷却装置，通过温控调节装置调节冷却装置保证对集光器的散热效果，通过热回收装置对集光器的热进行回收再利用(如对水进行加热产生热水)，实现对太阳能的电与热综合利用的目的。

本发明实施例的利用装置可通过追日架上设置的抛物面反射镜将太阳光汇聚到一个较小的面积，追日架自动跟踪太阳方位使抛物面反射镜所反射的太阳光汇聚在光伏电池元件表面，光斑范围覆盖光伏电池元件矩阵，通过集光器的光伏电池元件对汇聚的太阳光转换成电能，该装置将光能以高效率转换成电能的同时，通过冷却装置对集光器进行有效散热，进一步也可通过冷却装置中的热回收装置对集光器在太阳能光电转换过程中的热进行回收利用(如获得可以利用的热水)。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (13)

1.一种太阳能利用装置，其特征在于，该装置包括：

追日架、集光器、抛物面反射镜和冷却装置；其中，

所述抛物面反射镜设置所述追日架上；

所述集光器设置在所述抛物面反射镜的反射光汇聚处，所述集光器设置多个光伏电池元件的一面朝向所述抛物面反射镜的光反射面；

所述集光器的冷却管与所述冷却装置连接。

2.如权利要求1所述的太阳能利用装置，其特征在于，所述集光器设置的多个光伏电池元件按以下方式设置在所述集光器上：

多个光伏电池元件按密集矩阵式排列设置在所述集光器上，相邻光伏电池元件之间的间距小于3mm。

3.如权利要求1或2所述的太阳能利用装置，其特征在于，所述集光器还包括：

保护罩、保护电路和换热支撑件；其中，

所述多个光伏电池元件排列设置在所述换热支撑件的一个支撑面上，所述多个光伏电池元件设置在所述保护罩内；所述多个光伏电池元件与所述保护电路电连接构成光伏电池矩阵电路；

所述冷却管设置在所述换热支撑件本体内。

4.如权利要求3所述的太阳能利用装置，其特征在于，所述多个光伏电池元件与所述保护电路通过以下方式电连接构成光伏电池矩阵电路：

多个光伏电池元件通过换热支撑件的支撑面表面设置的导电层形成的导电线路与所述保护电路电连接构成光伏电池矩阵电路；或者，多个光伏电池元件通过换热支撑件的支撑面之间设置的导线形成的导电线路与所述保护电路电连接构成光伏电池矩阵电路。

5.如权利要求3所述的太阳能利用装置，其特征在于，所述换热支撑件具体包括：支撑件本体和导电层；其中，

由导热材料制成的所述支撑件本体外表面设有至少一个支撑面，其中至少一个支撑面的表面设置所述导电层，所述导电层与所述支撑件本体之间保持绝缘；

所述支撑件本体内设有安装冷却管的散热孔。

6.如权利要求5所述的太阳能利用装置，其特征在于，所述支撑件本体外表面还设有至少一个接触配合面，所述接触配合面为平直面、曲面或异型面。

7.如权利要求5所述的太阳能利用装置，其特征在于，所述散热孔为设置在所述支撑件本体上的至少一个通孔或盲孔；

或者，所述散热孔为至少两个，其中包括至少一个设置在所述支撑件本体上的通孔，以及包括至少一个设置在所述支撑件本体上的盲孔。

8.如权利要求5所述的太阳能利用装置，其特征在于，所述导电层为导电材料固定覆盖在所述支撑面的表面形成的导电层。

9.如权利要求1所述的太阳能利用装置，其特征在于，所述制成支撑件本体的导热材料采用绝缘导热材料；

或者，所述支撑件本体采用导热的金属材料制成，在其支撑面表面覆盖导热绝缘层。

10.如权利要求5～9任一项所述的太阳能利用装置，其特征在于，所述支撑件本体为中空的三棱形结构，其中空部分为所述散热孔，三棱形结构的三个外表面中至少两个作为所述支撑面；

或者，所述支撑件本体为中空的方形结构，其中空部分为所述散热孔，四方形结构的四个外表面中两个间隔开并相对应的外表面作为所述支撑面；

所述支撑件本体为中空的五棱形结构，其中空部分为所述散热孔，五棱形结构的五个外表面中相临的两个外表面和与所述两个外表面间隔设置的一个外表面作为所述支撑面。

11.如权利要求1所述的太阳能利用装置，其特征在于，所述集光器还包括：

保护罩、保护电路和换热支撑件；其中，

所述换热支撑件为由多个中空五棱形结构的支撑件本体相邻设置并固定连接后形成的顶端为瓦棱型支撑面，底端为平直支撑面的结构；

所述光伏电池元件排列设置在所述换热支撑件顶端的瓦棱型支撑面上，所述光伏电池元件设置在所述保护罩内；所述保护电路设置在所述换热支撑件的底端的平直支撑面上，所述光伏电池元件与所述保护电路电连接构成光伏电池矩阵电路；

所述冷却管设置在所述换热支撑件的各支撑件本体的中空部分。

12.如权利要求1所述的太阳能利用装置，其特征在于，所述抛物面反射镜包含多组抛物面反射镜，各反射镜分散布置，每一抛物面反射镜所反射的光斑均覆盖在所述集光器设置的光伏电池元件表面。

13.如权利要求1所述的太阳能利用装置，其特征在于，所述冷却装置采用带有温控调节装置的冷却装置；或者，采用带有温控调节装置和热回收装置的冷却装置。

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